Введение к работе
Актуальность темы исследования. Существует много прикладных
задач, таких как, например, проектирование и использование ускорителей
тяжёлых ионов высоких энергий, исследование процессов имплантации и
распыления твёрдых тел при ионной бомбардировке, использование тяжёлых
ионов для диагностики и спектроскопии плазмы, которые стимулировали в
последнее время интенсивное изучение столкновений с участием быстрых
многозарядных ионов. С фундаментальной же точки зрения изучение
поведения вещества в сверхсильных электромагнитных полях является одной
из актуальных задач современной физики. Большой интерес, проявляемый к
исследованиям неупругих процессов, сопровождающих столкновения атомов
с многозарядными ионами, объясняется, прежде всего, тем, что эффективные
напряжённости полей, создаваемых многозарядными ионами, значительно
превосходят электрические поля, получаемые в лабораторных условиях.
Поэтому, столкновительные эксперименты с участием многозарядных ионов
представляют собой по сути дела пока единственную возможность изучения
поведения атомов и молекул в сверхсильных электромагнитных полях.
Часто при проведении современных экспериментальных исследований
столкновений ионов с атомами в качестве снарядов, бомбардирующих
мишень (см., например, [1-3] и приведённые там ссылки), используются
структурные ионы высоких зарядов и энергий. Под структурными ионами в
рамках данной работы понимаются частично ободранные ионы, состоящие из
ядра и некоторого количества связанных электронов, частично
компенсирующих заряд ядра и образующих электронную "шубу" иона.
Например, такие структурные ионы образуются при движении быстрого иона
в среде, когда, в результате процессов перезарядки и потерь электронов, у
иона (даже если он первоначально не имел собственных электронов)
устанавливается некоторый равновесный заряд, меньший заряда голого ядра.
Таким образом, актуальной задачей является развитие теоретических
методов для изучения неупругих процессов, сопровождающих столкновения
атомов с релятивистскими структурными многозарядными ионами. Обычно
при расчётах поле экранированного иона описывается как поле точечного
заряда, хотя представляется необходимым рассматривать структурный ион
не как точечную частицу, а как протяжённую структурную частицу
величиной порядка размера электронных оболочек, на которых расположены
электроны при установившемся равновесном:.^., ц^на
7 **ОС НАЦИОНАЛЬНАЯ I
і БИБЛИОТЕКА !
3 і «ygRg?
Цель работы состоит в теоретическом исследовании неупругих процессов и потерь энергии при столкновениях движущихся с релятивистскими и ультрарелятивистскими скоростями структурных многозарядных тяжёлых ионов с атомами и молекулами. При этом в диссертационном исследовании на заряды ионов не налагаются ограничения, связанные с применением теории возмущений. Таким образом, в рамках данной работы проводится развитие и использование непертурбативных подходов теории столкновений.
Особой целью работы является развитие качественных методов теоретического исследования, позволяющих проделать необходимые оценки величин, характерных для физических механизмов исследуемых эффектов.
Научная новизна работы определяется, прежде всего, тем, что большинство предлагаемых расчётов было выполнено на основе оригинальных схем, разработанных научным руководителем проф. Матвеевым В.И. и автором диссертации для описания фундаментальных процессов, интенсивно исследуемых в настоящее время на ускорителях тяжёлых ионов, а также тем, что ряд расчётов был выполнен впервые.
На основе приближения эйконала и метода сшивки развит новый непертурбативный метод расчёта сечений неупругих процессов, происходящих при столкновениях релятивистских структурных многозарядных ионов с атомами.
Впервые получены простые аналитические выражения для расчёта сечений ионизации атомов водорода и гелия релятивистскими структурными многозарядными ионами.
На основе нового метода впервые произведён численный расчёт поправок, определяющих степень влияния эффектов протяжённости заряда иона на величину вышеуказанных сечений ионизации. Показано, что учёт пространственной протяжённости заряда иона приводит к заметному изменению сечений ионизации по сравнению со случаем ионизации точечными ионами тех же зарядов и энергий.
Проведено обобщение нового метода на случай неупругих процессов (ионизации и возбуждения), соответствующих одновременному изменению состояний как мишени, так и снаряда при столкновении релятивистского структурного многозарядного иона с атомом.
5. Получены выражения для расчёта дифференциальных сечений,
соответствующих ионизации атомов водорода и гелия голыми и
структурными релятивистскими многозарядными ионами. На основе нового
метода впервые произведён расчет энергетических спектров и импульсных распределений электронов. Показано, что учёт конечности размера налетающего иона заметно изменяет величину соответствующих дифференциальных сечений. Получен асимптотический по энергиям и импульсам электронов вид дифференциальных сечений, соответствующих ионизации атомов водорода и гелия релятивистскими структурными ионами. 6. Впервые в рамках нового метода произведён численный расчёт эффективного торможения релятивистского структурного иона при столкновении с атомом водорода. Показано, что учет протяжённости заряда электронной "шубы" иона влияет на величину торможения, заметно увеличивая его по сравнению со случаем описания иона как точечной частицы.
Достоверность и научная обоснованность полученных результатов и выводов обеспечивается не только сравнением с результатами расчётов других авторов и экспериментами, но и высокой надежностью применяемых методов расчёта, тщательным тестированием применяемых алгоритмов и программ.
Научная и практическая ценность работы. В процессах высокоэнергетических столкновений тяжёлых ионов с атомами учёт сильного поля иона требует применения так называемых непертурбативных методов, позволяющих учесть поле иона вне рамок теории возмущений. Поэтому в данной работе развит новый непертурбативный метод расчёта полных и дифференциальных сечений неупругих процессов, происходящих при столкновениях релятивистских структурных многозарядных ионов с атомами, позволяющий естественным способом учитывать наличие электронной «шубы» иона.
Области возможного практического применения результатов: ускорители тяжёлых ионов, радиационные повреждения, ядерные реакторы, лучевые технологии. Кроме того, результаты таких исследований представляют интерес для многих конкретных областей атомной и ядерной физики, физической электроники, физики лазеров, астрофизики и теплофизики.
Основные положения, выносимые на защиту. 1. Непертурбативный метод расчёта сечений неупругих процессов, происходящих при столкновениях релятивистских структурных многозарядных ионов с атомами на примере ионизации структурными
ионами атомов водорода и гелия. Простые аналитические выражения для расчёта сечений ионизации атомов водорода и гелия такими ионами.
Результаты численных расчётов поправок, определяющих степень влияния эффектов протяжённости заряда иона на величину вышеуказанных сечений ионизации. Вывод о заметном влиянии учёта конечности размера иона на сечения ионизации по сравнению со случаем ионизации точечными ионами тех же зарядов и энергий.
'Метод учёта одновременных возбуждений электронных оболочек снаряда и мишени при взаимодействии атомов с релятивистскими структурными многозарядными ионами.
Распространение метода сшивки на случай расчёта дифференциальных сечений (распределений электронов по энергии и компонентам импульса: продольной - ориентированной вдоль направления движения иона, и поперечной - лежащей в плоскости параметра удара), соответствующих ионизации атома водорода, а также однократной и двойной ионизации атома гелия голыми и структурными релятивистскими многозарядными ионами. Простые выражения для расчёта таких дифференциальных характеристик.
5. Результаты численных расчётов энергетических и импульсных
распределений электронов, образующихся при ионизации атомов водорода и
гелия релятивистскими структурными многозарядными ионами. Показано,
что учёт протяжённости заряда иона приводит к заметному возрастанию
дифференциальных сечений по сравнению со случаем описания иона как
точечной частицы. Получены асимптотические законы поведения
дифференциальных сечений в области больших значений энергий и
импульсов вылетающих электронов, которые хорошо подтверждаются
экспериментом и имеют прозрачный физический смысл.
6. Расчёт эффективного торможения релятивистского структурного иона
при столкновении с атомом водорода. Показано, что учёт протяжённости
заряда электронной "шубы" иона влияет на величину торможения, заметно
увеличивая его по сравнению со случаем описания иона как точечной
частицы.
Апробация работы. Результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались на семинаре кафедры физики атомного ядра и квантовой теории столкновений НИИЯФ МГУ (Москва), семинарах Лаборатории теоретической физики Поморского государственного университета (Архангельск), а также на конференциях: Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых учёных (ВНКСФ-7, Санкт-
Петербург, 2001; ВНКСФ-8, Екатеринбург, 2002; ВНКСФ-9, Красноярск, 2003; ВНКСФ-10, Москва, 2004); на XI международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов 2004" (Москва, 2004); на международной конференции во Франции "XI International Conference on the Physics of Highly Charged Ions" (Caen, France, 2002).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 6 работ в рецензируемых журналах из списка ВАК (работы 1,4, 7, 9, 10 и 13 общего списка публикаций). Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, двух приложений и содержит 142 страницы, 20 рисунков и 1 таблицу. Список литературы включает 113 наименований.
